某汽油机催化器系统的CFD分析

王丹 刘双喜 牟江峰 陈浩

（1-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 2-中国汽车技术研究中心汽车工程研究院）

·设计·计算·

某汽油机催化器系统的CFD分析

王丹1,2刘双喜2牟江峰2陈浩2

（1-天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室天津300072 2-中国汽车技术研究中心汽车工程研究院）

利用三维流体分析软件STAR-CCM+对某汽油机催化器系统进行了模拟分析，运用多孔介质模型模拟催化器内部的流动，重点考察了该催化器系统的压力损失和气流分布均匀性，并对氧传感器的位置进行了评估。综合各项分析评价指标，提出优化建议，为排气系统的结构设计和性能改进提供理论依据。

催化器系统压力损失均匀性氧传感器CFD

引言

发动机排气系统的设计，首先要根据发动机舱和底盘空间的布置要求，确定管路的基本走向和位置，确保不与其它部件发生干涉，且安装方便。此外，考虑到排气系统总成对发动机动力性、经济性和排放性的直接影响，排气系统应具有良好的空气动力学性能，流通能力强，压力损失小，气流分布均匀[1，2]。三效催化器是汽油机上广泛采用的排气后处理设备。为了满足日益严格的排放法规，有效控制汽车尾气排放，三效催化器必须具有较高的转化效率和良好的耐久性，因此在进行排气系统设计时要保证三效催化器前端气流分布的均匀性，并合理布置氧传感器位置，从而提高载体的工作效率和使用寿命[3～5]。

随着数值仿真技术和计算机水平的进步，催化器系统的CFD流体分析成为其开发过程的重要步骤之一。计算流体动力学CFD（Computational Fluid Dynamics）是进行汽车空气动力学研究的有效方法。通过CFD计算得到排气系统内部空气流动的详细信息，从而在产品开发初期预知产品的性能，为后期设计优化提供理论指导[6]。与试验相比，CFD计算更直观，信息全，且周期短，易操作，成本低。本文建立了某汽油机催化器系统三维模型，通过CFD计算分析了催化器系统内流场的压力分布、速度分布、温度分布，从而对该催化器系统的设计方案进行了综合评价，并提出优化方向。

1 CFD模型及计算方法

1.1 几何模型及网格划分

采用有限元分析软件HyperMesh进行前处理，抽取催化器系统的内腔几何结构，进行几何清理和面网格的划分。图1是催化器系统的内腔结构图，主要有入口、出口、前锥、后锥以及催化器5个区域，为了准确测得排气氧含量，从而精确控制排气空燃比，在催化器的前后都有氧传感器。

图1 催化器系统的内腔结构图

将HyperMesh处理好的网格模型导入到STARCCM+中，检查面网格质量。网格是模拟与分析的载体，网格质量对CFD计算精度和计算效率有重要影响。STAR-CCM+提供了3种网格单元，即四面体、六面体以及多面体单元。根据三维模型的结构，采用六面体网格进行体网格划分。图2是催化器系统的网格结构图，基本尺寸为2mm，体网格数量为32万左右，检查体网格质量。

图2 催化器系统的网格结构图

1.2 理论基础

催化器系统的CFD计算采用不可压缩流体的N-S方程进行迭代求解。其控制方程有：质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程。计算为稳态过程，采用SIMPLE算法进行压力项和速度项之间的耦合，使用的湍流模型为RNG k-ε湍流模型。催化器壳体不设置壁面层，其它区域的壁面为无滑移速度条件，采用壁面函数法描述壁面附近的流动。计算流体为不可压缩的理想气体，考虑温度变化对粘度的影响。

催化器载体按各向同性多孔介质处理，气流在多孔介质区的流动为层流流动，流体流经载体时只有沿轴向方向的速度和压力损失。根据Darcy定律，气流流经催化器载体时产生的压降可表示为：

式中，ΔP/L为单位长度催化器的压力降，υ为排气流速，Pi为粘性阻力系数，Pυ为惯性阻力系数。常用的确定多孔介质阻力系数的方法是根据实验得到压降与流速的曲线，通过曲线拟合，对应上述压降公式确定的。

1.3 边界条件

计算采用全速全负荷工况，只要在该工况点满足性能要求，其它常用的行驶工况也会满足要求。入口为质量进口边界，其入口流量为0.152kg/s，温度为1009K，湍流强度10%，水利直径64mm。出口为压力出口边界，其出口静压为20kPa，温度为700K，湍流强度10%，水利直径52mm。考虑到催化器内的化学反应，添加能量源，其数值是由经验获得的。催化器视为多孔介质，其它部分按流体区域计算，在催化器的前后与其它区域交界处设置交界面。

2 计算结果及分析

2.1 排气背压

排气背压是考察排气系统优劣的一项重要指标。排气系统的压力损失直接影响发动机的换气效率和燃油经济性，决定发动机排气效果[7]。图3为催化器系统表面的压力云图。从图中可以看出，在系统弯曲处或者收缩处，由于结构突变，压力变化较大。表1列出了催化器系统各部分的压降，可以看出，催化器的前锥区域的压力损失很小，而催化器载体和后锥区域排气压降比较明显。一般情况下，企业对催化器系统的背压目标值为25kPa左右，该催化器系统的总压力损失为22kPa，基本满足设计要求。

表1 催化器系统各部分的压降

图3 催化器系统压力分布图

2.2 温度分布

图4为催化器系统表面的温度分布云图。图5为催化器载体中心截面的温度分布图。从图中可以看出，由于在催化器载体内部发生了化学反应放热，载体温度最高；载体内部温度分布均匀，催化剂得到充分利用；靠近催化器壳体边缘，由于与外界环境的对流换热，温度比芯体中心低一些。

图4 排气系统温度分布图

图5 催化器载体中心截面温度分布图

2.3 速度迹线

若流场的流通性不好，会降低排气速度，增加排气阻力，从而降低发动机的有效功率[8]。图6是催化器系统的速度迹线图。图7是后级氧传感器附近的速度迹线图。从图中可以看出，整个催化器系统流通性能良好，前级和后级氧传感器附近流速均匀，没有产生涡流。由于催化器前锥转弯角度较小，空气流过前锥时，气流主流因流向突变而脱离前锥管壁表面，气流在局部区域产生漩涡，但空气流速不大，对流场的流通性影响不大，对催化器入口的进气均匀性会产生影响。

图6 催化器系统速度迹线图

图7 后级氧传感器附近的速度迹线图

2.4 催化器载体均匀度分析

气流在载体截面上的流动均匀性，决定了气流在载体内的停留时间，从而影响催化器的转化效率和温度分布。催化器载体内气流分布均匀，可加快载体的温升速率，降低由于载体局部过热而产生的温度梯度，从而提高催化器的转化效率和使用寿命[9]。为了考察催化器载体内的流动均匀性，应用载体入口截面的速度均匀度作为评价指标，其公式为：

式中，γ为均匀度指数；m为载体入口截面的网格总数；Ci为载体入口截面上网格单元i的速度，是整个载体截面上的平均速度。γ的范围在0～1之间，越大表示气流分布越均匀。γ=1表示流场分布完全均匀。

根据工程经验，催化器载体入口截面均匀度大于0.85代表截面的均匀性良好。图8为催化器入口截面速度分布图，按照均匀度公式计算得到的均匀度为0.85，因此催化器载体入口截面的气流均匀度基本满足要求。

图8 催化器入口截面速度分布

2.5 氧传感器位置

三效催化器在理论空燃比时转化效率最高，为了精确控制空燃比，汽车OBD系统要求在催化器前后加装氧传感器。前氧传感器为主氧传感器，后氧传感器的主要作用是协助主氧传感器进行空燃比控制修正和监视催化剂是否失效。为了准确地监测排气氧含量，氧传感器的布置位置要求处于主流区、气流垂直冲击且具有较好的流动均匀性[10]。图9为前级氧传感器截面的速度分布图。图10为后级氧传感器截面的速度分布图。从图中可以看出，后氧传感器与气体主流接触，能够及时地监测排气成分的变化，不会造成信号误判。但前氧传感器没有明显位于主流区，周围流速较低，无法满足氧传感器对气流速度的要求，容易造成监测不灵敏，信号延误。底盘空间允许的话，建议对前氧传感器的位置进行优化，改进氧传感器周围的流场结构。

图9 前级氧传感器截面的速度分布

图10 后级氧传感器截面的速度分布

3 结论

利用CFD软件对某汽油机催化器系统的内部流动特征进行了分析，计算结果表明：

1）该催化器系统流通性能良好、压力损失和流场均匀性满足设计要求。

2）由于催化反应放热，催化器载体温度最高，且载体内部温度分布均匀，能够保证催化器较高的工作效率和使用寿命。

3）前级和后级氧传感器附近流速均匀性良好，没有产生涡流。后级氧传感器的位置满足设计要求，但前氧传感器没有位于主流区，不满足氧传感器对气流速度的要求，建议进一步优化。

1刘军.汽车排气催化转化装置气流特性分析[J].车用发动机，2001（4）：25～28.

2UgurKesgin.Study on the design of inlet and exhaust system of a stationary internal combustion engine[J].Energy Conversion and Management，2005，46：2258～2287

3贾友昌，赵蕾，鲁建立.基于STAR～CCM+的排气歧管分析及优化[C].CDAJ～China中国用户大会，上海，2011

4钱多德，姚炜.汽油机排气歧管内流场CFD模拟[J].内燃机与动力装置，2010（5）：30～32

5张沛毅，王超，杨陈，等.某汽油机歧管式催化转化器结构设计与分析[J].小型内燃机与摩托车，2013，42（6）：59～64

6丁柏群，李明杨．车用歧管式催化器内部流速及压力分析[J]．车用发动机，2011，194（3）：20～24

7王素梅，董沛存.柴油机排气歧管的CFD数值模拟分析[J].沈阳理工大学学报，2012，13（8）：90～94

8李红庆，杨万里.内燃机排气歧管热应力分析[J].内燃机工程，2005，26（5）：81～84.

9孙鲁青，贾菲，张一平.基于一维、三维耦合分析的歧管化转化器结构优化[J].汽车技术，2012（6）：40～43

10赵凤启，李守成，时岩.基于CFD数值模拟的氧传感器位置研究[J].计算机应用技术，2013，40（1）：41～44

CFD Analysis on Catalytic Converter System of Gasoline Engine

Wang Dan1，2，Liu Shuangxi2，Mou Jiangfeng2，Chen Hao2
1-State Key Laboratory of Engine Combustion，Tianjin University(Tianjin，300072，China) 2-China Automotive Technology and Research Center，Automotive Engineering Research Institute

Numerical simulation of catalytic converter system for certain gasoline engine was conducted by CFD software of STAR-CCM+.By using porous media modal to simulate the internal flow of the catalyst，the pressure drop and uniformity of the flow filed were discussed，and the positions of oxygen sensors were evaluated.Based on the calculated results，optimization recommendations were pointed out.The research will provide theoretical basis for structure design and performance improvement of exhaust system.

Catalytic converter system，Pressure drop，Uniformity，Oxygen sensor，CFD

TK421.8

A

2095-8234（2014）04-0040-04

2014-06-06）

王丹(1983-)，女，工程师，主要研究方向为整车热管理，发动机进排气系统设计。